Design and fabrication of a multi-parameter biochip for bioreactor monitoring

Bioprocesses monitoring has always generated great interest in biotechnology. Nowadays devices that provide real-time data are highly required, since they allow detecting small changes quickly, adjusting relevant parameters and maintaining the process at its optimum. Moreover, researchers are interested in monitoring several parameters all at once: this has led to the development of multi-sensor lab-on-a-chip (or biochip) devices. The aim of this master’s thesis was to introduce a multi-sensor chip capable of monitoring six of the most important bioprocess parameters: glucose, lactate, cell density, pH, dissolved oxygen and temperature. In the first part of this thesis work, a general introduction on multi-sensor biochips is presented. Afterwards, a complete theoretical analysis of each of the sensors related to the aforementioned parameters was discussed in details, focusing on the various electrochemical detection techniques. After designing, the chips were fabricated using standard microtechnology techniques in the cleanroom of the KU Leuven ESAT-MICAS department: platinum, gold and silver electrodes were produced by performing sputtering and lift-off; isolation layers of either parylene-C or polyimide were etched by reactive ion etching (RIE) after being respectively deposited by chemical vapor deposition (CVD) and spin-coated. Subsequently, sensors were functionalized, characterized and tested using either impedance spectroscopy or electrochemical detection techniques, like amperometry and potentiometry. Finally, the response of single sensors was investigated and good performance were obtained, comparable to those described in literature.

Il monitoraggio dei processi biologici ha sempre assunto un ruolo di fondamentale importanza in ambito biotecnologico. Oggigiorno la necessità di dispositivi in grado di fornire dati in tempo reale è diventata sempre più esigente, dal momento che permettono di rilevare velocemente piccoli cambiamenti dei parametri vitali e di monitorarli correttamente. Oltretutto, è di grande interesse tenere sotto osservazione diversi parametri simultaneamente: ciò ha spinto alla diffusione di dispositivi multisensori noti come lab-on-a-chip o più comunemente biochip. L'obiettivo di questa tesi è quello di presentare un chip multisensore in grado di monitorare sei tra i più importanti parametri studiati nei bioprocessi: glucosio, lattosio, densità cellulare, pH, ossigeno e temperatura. Nella prima parte del lavoro, è presentata un'introduzione generale riguardante i biochip con multisensori. Successivamente, è seguita una dettagliata analisi teorica di ognuno dei sensori associati ai parametri elencati precedentemente, focalizzandosi sulle varie tecniche di rilevazione elettrochimica. Al design dei vari chip è seguita la produzione nella cleanroom del dipartimento ESAT-MICAS dell'università KU Leuven, utilizzando tecniche di microfabbricazione standard: elettrodi in platino, oro e argento sono stati realizzati tramite sputtering e lift-off; layer isolanti in parylene-C o poliammide sono stati depositati tramite chemical vapor deposition (CVD) e modellati tramite reactive ion etching (RIE). Successivamente, funzionalizzazione, caratterizzazione e testing dei sensori sono stati eseguiti utilizzando tecniche di spettroscopia di impedenza, amperometria e potenziometria. Infine, è stata studiata la risposta dei singoli sensori e sono stati conseguiti risultati analoghi a quelli ottenuti in letteratura.